（材料学专业论文）高效承压智能堵漏复合材料的制备与性能研究.pdf

r e s e a r c ho fp r e p a r a t i o na n dp r o p e r t yo fe f f i c i e n c y p r e s s u r e - - b e a r i n gs m a r t l o s tc i r c u l a t i o nc o m p o s i t e m a t e r i a l s t i a nl u f e i u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f w a n gq i at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 8 ，2 0 1 1 惴6川3 肼53删8m 8 iiiii 帅y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：亟毖兰 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：逝导师签名：亟日期： 济南大学硕 学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 堵漏材料的发展1 1 1 1 国内堵漏材料研究现状l 1 1 2 国外堵漏材料研究现状4 1 1 3 堵漏材料的发展趋势4 1 2 智能材料的发展及其种类5 1 2 1 智能材料的发展和种类6 1 2 2 智能材料的选择7 1 3 形状记忆合金的研究状况与应用。7 1 3 1 形状记忆合金的研究现状8 1 3 2 形状记忆合金的种类及应用9 1 4 本文的研究目的和研究内容j 1 1 1 4 1 本文的研究背景1 1 1 4 2 研究的目的与意义1 2 1 4 3 研究的主要内容1 3 第二章水泥基智能堵漏材料的设计一1 4 2 1 水泥基智能堵漏材料模型的建立1 4 2 2 可行性分析l5 2 2 1 形状记忆合金相变点的测定1 5 2 2 2 形状记忆合金回复力的计算一1 6 2 3 智能堵漏材料堵漏的基本原理18 第三章形状记忆合金的热处理2 2 3 1 实验药品及仪器2 2 3 1 1 实验药品、原料2 2 鬲效承爪智能堵漏复合材料的制需j 性能研究 3 1 2 实验仪器2 3 3 2 形状记忆合金的热处理2 3 3 2 1 形状记忆合金的热处理工艺一2 3 3 2 2 形状记忆合金记忆效应的测定2 4 3 3 实验结果与讨论2 5 3 3 1 热处理温度与回复率的关系2 5 3 3 2 淬火介质与回复率的关系2 7 3 3 3 保温时间对形状记忆合金形状回复率的影响2 7 3 3 4 循环次数对形状记忆合金形状回复率的影响2 8 3 4 形状记忆合金的微观机制2 9 3 4 1 不同的热处理温度下记忆合金的微观机制2 9 3 4 2 不同的淬火介质下形状记忆合金的微观机制。3l 3 4 3 不同保温时间形状记忆合金的微观机制3 3 3 5 本章小结3 4 第四章水泥基智能堵漏材料的制备3 6 4 1 实验药品及仪器3 6 4 1 1 实验药品及原料3 6 4 1 2 实验仪器3 7 4 2 弹簧的制作及其直径、螺距的确定3 7 4 3 水泥基智能堵漏材料的制备工艺3 9 4 3 1 填充膨润土的智能堵漏复合材料的制备3 9 4 3 2 填充吸水树脂的智能堵漏复合材料的制备4 0 4 4 本章小结5 0 第五章填充膨润土智能堵漏材料的性能5 2 5 1 实验仪器5 2 5 2 智能堵漏材料的性能5 2 5 2 1 碳酸根离子的溶出量对堵漏浆液凝固时间的影响5 2 5 2 2 填充膨润土的智能堵漏材料的筒压强度5 3 济南人学硕f j 学位论文 5 2 3 智能堵漏材料对外界环境的响应速度5 4 5 2 4 智能堵漏材料中形状记忆合金的伸长率5 6 5 2 5 智能堵漏材料的堵漏性能5 6 5 3 智能堵漏材料的堵漏机理7 1 5 4 本章小结7 l 第六章填充吸水树脂的智能堵漏材料性能7 3 6 1 实验仪器7 3 6 2 智能堵漏材料性能7 3 6 2 1 智能堵漏材料的筒压强度7 3 6 2 2 智能堵漏材料对外界环境的响应速度7 3 6 2 3 智能堵漏材料的室内模拟7 4 6 3 智能堵漏材料的堵漏机理7 5 6 4 本章小结7 6 第七章结论与展望7 7 7 1 结论7 7 7 2 今后需要解决的问题7 8 7 3 展望7 9 参考文献8 0 翌| 【谢。8 4 附勇乏8 5 一、在校期间发表的学术论文8 5 二、在校期间参加的项目8 5 三、在校期间获奖情况8 5 h l 济南大学硕卜学位论文 摘要 钻井防漏堵漏的成功率直接取决于堵漏材料的性能。发生恶性井漏时，由于 传统的堵漏材料堵漏强度低、在裂缝中的流动阻力小、易被流体冲走，很难起到 良好的堵漏效果，而造成堵漏失败。研究温控型智能堵漏材料将是解决这一难题 的重要途径之一。论文建立了以形状记忆合金为感知、驱动、执行元件，利用记 忆合金丝的相互搭接、缠绕，以水泥等材料控制外形的智能堵漏材料模型，并对 形状记忆合金进行热处理，确定了合适的热处理工艺；探讨不同的制备工艺，并 制备了不同性能的智能堵漏材料；对制备的智能堵漏材料进行性能测试。 对n i t i 形状记忆合金进行不同的热处理，研究结果表明：冷水淬火介质下， 形状记忆合金的回复率随着热处理温度的升高而增加，当热处理温度为5 0 0 时， 形状记忆合金的形状回复率最大，当热处理温度超过5 0 0 时，形状记忆合金的 形状回复率随着热处理温度的升高而减小；回复率随着保温时间的增加而逐渐减 小，得出最合理的热处理工艺为：热处理温度为5 0 0 ，保温时间为1 0 m i n ，淬 火介质为冷水。 对弹簧的伸长率进行研究确定了直径与螺距。研究结果表明：当弹簧的直径 为1 4 m m ，且弹簧螺距为2 5 m m 时，弹簧的伸长率为9 9 2 ；当弹簧直径为1 6 m m ， 且弹簧螺距为2 0 m m 时，弹簧的伸长率为1 0 0 。 通过研究不同的制备工艺制备了不同性能的智能堵漏材料。研究结果表明： 填充膨润土的智能堵漏材料制备方法是，将膨润土加水填充到弹簧中，喷洒粘结 剂后在水泥基材料中滚动成球，且在膨润土中分别添加5 、1 0 、1 5 、2 0 的碳酸钠制备了最小粒径为2 8 3 1 m m 的智能堵漏材料；填充吸水树脂的智能堵 漏材料的制备方法，把膨胀率为1 的吸水树脂填充到制备好的螺旋状的弹簧中， 喷洒粘结剂后滚动成球，最后喷洒适量的2 5 碳酸钠溶液或1 1 7 6 硫酸铝溶液 养护，成球率分别为9 5 、9 5 ；或者把溶于四氯化碳的石蜡溶液喷洒到复合体 上，待其四氯化碳挥发后滚动成球( 成球率为9 3 ) ；将膨胀率为1 的吸水树脂 填充到制备好的螺旋状的弹簧中后放置3 0 m i n ，滚动成球，喷洒适量的2 5 碳 酸钠溶液或11 7 6 硫酸铝溶液养护，成球率为9 7 ；将吸水树脂制成0 2 m m 粒 径的颗粒状，与膨润土混合后用聚乙二醇4 0 0 拌合成具有塑性的混合物，填充到 v 制备好的螺旋状的弹簧中滚动成球，喷洒2 5 碳酸钠溶液或1 1 7 6 硫酸铝溶液 养护，成球率为9 4 。 对制备的智能堵漏材料进行了性能测试，结果表明：制各的智能堵漏材料具 有一定的强度，把制备的不同性能的智能堵漏材料放到6 0 转s 的转速下搅拌， 智能堵漏材料能够良好的分散且不破裂；封堵2 m m 和4 m m 裂缝时，含填充膨润 土的智能堵漏材料8 的堵漏配方承压能力分别是不含智能堵漏材料的7 9 倍、 7 1 倍，是常温含智能堵漏材料8 的堵漏配方的8 9 倍、8 2 倍；含智能堵漏材 料1 2 的堵漏配方承压能力是不含智能堵漏材料的8 4 倍、7 5 倍，是常温含智 能堵漏材料1 2 的堵漏配方的8 1 倍、6 8 倍，达3 0 m p a 以上。 关键词：智能堵漏材料；形状记忆合金；吸水树脂；滚动成球；漏失量 v i 济南人学硕卜学位论文 a b s t r a c t t h es u c c e s sr a t eo fp l u g g i n ga n dd r i l l i n gd i r e c t l yd e p e n d so nt h ep e r f o r m a n c eo f l o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l t h et r a d i t i o n a ll o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l sc a nn o te f f e c t i v e l y p l u gc r a c kd u e t ol o ws t r e n g t h ，s m a l lf l o wr e s i s t a n c ei nt h ec r a c k s t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fs m a r tl o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l sw i l lb eo n eo fe f f e c t i v ew a y st os o l v e t h ep r o b l e m t h em o d e lo fs m a r tl o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l sw a sd e s i g n e da n dt h es h a p e m e m o r ya l l o yo ft h el o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l sw a sh e a t e dt r e a t m e n t t h e ng e tt h e r e a s o n a b l eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s t h ed i f f e r e n tp r e p a r a t i o np r o c e s sw a sr e s e a r c h e d ， a n dt h ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c e so fl o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l sw e r ep r e p a r e d t h e p e r f o r m a n c e o ft h el o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a lw a st e s t e d t h es h a p em e m o r ye f f e c th a sb e e ns t u d i e dt h r o u g ht h ec h a n g eo fr e c o v e r yr a t e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e c o v e r yr a t eo fs m a i m p r o v e dw i t ht h e i n c r e a s i n go ft h eq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ew h e nt h eq u e n c h i n gm e d i u mi sc o l dw a t e r t h ev a l u eo fr e c o v e r yr a t ei sm a x i m u mw h e nt h eh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ei s5 0 0 c e n t i g r a d e w h e nt h et r e a t m e n tt e m p e r a t u r ee x c e e d5 0 0c e n t i g r a d e ，t h er e c o v e r yr a t e o fs m ad e c r e a s e dw i mi n c r e a s i n gh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r e t h er e c o v e r yr a t eo f s m ad e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gh o l d i n gt i m e t h eo p t i m a lh e a tt r e a t m e n tp r o c e s si s t h a tt h eh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ei s5 0 0c e n t i g r a d e ，t h eh o l d i n gt i m ei s10m i n u t e s ， t h eq u e n c h i n gm e d i u mi sc o l dw a t e r t h ed i a m e t e ra n dt h r e a dp i t c ho ft h es p r i n gw e r ed e t e r m i n e dt h r o u g hs t u d y i n g t h ee l o n g a t i o no ft h es p r i n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee l o g a t i o ni s9 9 2 ，w h e nt h e d i a m e t e ro fs p r i n gi s1 4 m m ，t h et h r e a dp i t c hi s2 5 m m t h ee l o g a t i o ni s10 0 ，w h e n t h ed i a m e t e ro fs p r i n gi s1 6 m m ，t h et h r e a dp i t c hi s2 0 m m d i f f e r e n tp r o p e r t i e so fs m a r tl o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l sw e r ep r e p a r e dt h r o u g h s t u d y i n gt h ed i f f e r e n tp r o c e s s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r e p a r a t i o nm e t h o do f f i l l i n gb e n t o n i t es m a r tl o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l si sf i l l i n gb e n t o n i t ew i t hw a t e ri n t o s p r i n g ，t h e ns p r a y i n ga g g l o m e r a n to n t ot h es p r i n ga n dr o l l i n ga g g l o m e r a t i o ni nt h e c e m e n t b e n t o n i t ew a sa d d e da t5 ，1 0 ，15 ，2 0 o fs o d i u mc a r b o n a t e t h e v 高效承压智能堵漏复合材料的制备与性能研究 p a r t i c l es i z eo fs m a r tl o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l si s2 8 3 1 m m t h ep r e p a r a t i o nm e t h o d o ff i l l i n gw a t e r - a b s o r b e n tr e s i ns m a r tl o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l si st of i l lt h e w a t e r - a b s o r b e n tr e s i nw i t h1 o fe x p a n s i o nr a t ei n t ot h es p r i n g ，t h e ns p r a y i n g a g g l o m e r a n to n t ot h es p r i n ga n dr o l l i n ga g g l o m e r a t i o ni nt h ec e m e n t f i n a l l y , t h e b a l l sw e r ec u r e dw i t l l2 5 s o d i u mc a r b o n a t es o l u t i o no r1 1 7 6 a l u m i n u ms u l f a t e s o l u t i o n t h eg r a n u l a t i o nr a t e sa r eb o t h9 5 a f t e rt h ep a r a f f i nd i s s o l v e di nc a r b o n t e t r a c h l o r i d e ，t h e ns p r a yi to nt h ec o m p l e x t h er a t eo fm a k i n gb a l li s9 3 f i l lt h e w a t e r - a b s o r b e n tr e s i nw i t h1 o fe x p a n s i o nr a t ei n t ot h es p r i n g p l a c i n g3 0m i n u t e sa t r o o mt e m p e r a t u r ea n dt h eb a l l sw e r ec u r e dw i t h2 5 s o d i u mc a r b o n a t es o l u t i o no r 11 7 6 a l u m i n u ms u l f a t es o l u t i o n t h er a t eo fm a k i n gb a l li s9 7 t h e w a t e r - a b s o r b e n tr e s i nw e r em a d ei n t o0 2 m mp a r t i c l es i z e ，t h em i x e db e n t o n i t ea n d p o l y e t h y l e n eg l y c o l4 0 0w e r ef i l l e di n t os p r i n g f i n a l l y , t h eb a l l sw e r ec u r e dw i t h 2 5 s o d i u l nc a r b o n a t es o l u t i o no r1 1 7 6 a l u m i n u ms u l f a t es o l u t i o n t h e g r a n u l a t i o n r a t e sa r eb o t h9 4 t h ep e r f o r m a n c eo fp r e p a r e ds m a r tl o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l sw a st e s t e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h el o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l sh a v ec e r t a i ns t r e n g t h ，p u tt h a ti n t o t h es t a t u so f6 0s h i f t s ，t h el o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l sw i t hg o o dd i s p e r s i o na n dc a nn o t b eb r o k e n p l u g g i n g2 m ma n d4 m m c r a c k s ，w h e nt h ec o n t e n to fl o s tc i r c u l a t i o ni s8 a n di nw h i c hf i l l e dw i t hb e n t o n i t es m a r tl o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l s ，t h eb e a t i n g p r e s s u r ew e r es e p a r a t e l y7 9 o r7 1t i m e st h a nt h a tw i t h o u ts m a r tl o s tc i r c u l a t i o n m a t e r i a l s ，t h eb e a r i n gp r e s s u r eo f8 0c e n t i g r a d ew e r er e s p e c t i v e l y8 9o r8 2t i m e s t h a nt h a to fa tr o o mt e m p e r a t u r e w h e nt h ec o n t e n to fl o s tc i r c u l a t i o ni s12 a n di n w h i c hf i l l e dw i mb e n t o n i t es m a r tl o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l s ，t h eb e a r i n gp r e s s u r ew e r e s e p a r a t e l y8 4 o r7 5t i m e st h a nt h a tw i t h o u ts m a r tl o s tc i r c u l a t i o nm a t e r i a l s ，t h e b e a t i n gp r e s s u r eo f8 0c e n t i g r a d ew e r er e s p e c t i v e l y8 1o r6 8t i m e st h a nt h a ta tr o o m t e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：s m a r t l o s tc i r c u l a t i o n m a t e r i a l s ；s h a p em e m o r ya l l o y ； w a t e r - a b s o r b e n tr e s i n ；r o l l i n ga g g l o m e r a t i o n ；l e a k a g e v i i i 第一章绪论 井漏是钻井过程中普遍存在的问题，而且会产生井下复杂情况和重大事故， 比如井塌、卡钻、井吲，给钻井工作带来巨大的危害，甚至能够导致钻井井眼 报废，对社会和国家造成巨大的经济损失。据科学统计，全世界发生井漏数占钻 井总数的2 0 一2 5 t 2 1 ，而防止井漏是石油钻井中的难点，特别是复杂的井漏问题 尤为棘手。其中恶性井漏损失占全部井漏损失的5 0 以上，并且将漏失通道成功 封堵具有很高的难度，因此急需加强对恶性堵漏的防治研究【3 j 。钻井用堵漏材料 是钻井过程中防止漏失必不可少的一种材料，堵漏材料的性能决定防漏堵漏的成 功率。因此，研究新型高效堵漏材料具有十分重要的意义。 1 1 堵漏材料的发展 1 1 1 国内堵漏材料研究现状 在建筑工程中混凝土结构常因为自身的收缩、温差变形以及设计缺陷或施工 等原因而产生较大裂缝，使混凝土结构产生渗漏；在水工工程方面，由于当时落 后的施工技术、工程质量低、冻融、冻胀、腐蚀等自然因素和外界环境破坏等因 素的作用，使大量的水工工程出现裂缝渗透，甚至出现大的孔洞漏失；在煤炭钻 探和油井钻探过程中由于地层裂缝和溶洞的发育，导致钻井过程中的钻井液返还 不高，水泥浆大量漏失，甚至发生孔壁的坍塌、水泥浆和滤液进入油气层等事故。 鉴于此，许多科学研究者研究了多种不同功能的堵漏材料并应用于实际堵漏中。 目前，根据不同的作用机理和功能可将堵漏材料可分为桥接类堵漏材料、高失水 类堵漏材料、化学类堵漏材料、无机胶凝类堵漏材料、高温型堵漏材料、复合型 堵漏材料等【4 】。 堵漏材料被广泛应用于水工工程和钻探行业，尤其是在钻探行业中起着举足 轻重的作用。目前堵漏材料的种类繁多，可以根据不同的实际施工条件、不同的 地质条件、环境情况选择不同性能的堵漏材料。针对不同堵漏材料的性能和价格 优势目前应用最多的是无机非金属堵漏材料，其中包括各种特种水泥、混合水泥 稠浆等【5 期。近几年来，国内外许多科研工作者和机构在研制水泥新品种【9 - 1 1 1 、水 高效承压智能堵漏复合材料的制备- 性能研究 泥外加剂和改善灌浆工艺等方面做了大量的研究工作，在提高水泥浆体的流动 性、可泵性，缩短凝结时间，提高水泥石的早期强度和稳定性等方面取得了很大 的进展。特别是各种膨胀水泥、触变性水泥、快干水泥的研制成功以及各种高效 的水泥缓凝剂、速凝剂等【1 2 。1 4 1 的出现，保证了水泥在复杂环境条件下使用的安全 性，拓宽了水泥的使用范围，为提高水泥基堵漏材料堵漏的成功率奠定了良好的 基础。另外，在漏失地层实施堵漏防漏作业时，通过向水泥浆中添加不同性能的 纤维来提高水泥浆的常规性能，使其具有防漏堵漏的双重功效，能够使水泥石的 韧性大幅度提耐1 2 1 5 。1 9 】。很多科学研究者也将水泥与其它的材料进行复合得到 了复合型堵漏材料，并在实际堵漏防漏中表现了良好的适应性和封堵能力。吴修 宾等人【2 0 1 研制了无机凝胶堵漏剂s d r 2 ；张子平【2 1 1 用焦炭、锯木面、天然麻纤 维等惰性材料与水泥复合制得了复合型堵漏材料；邓亚军等人【2 2 】研究了丙烯酸盐 类灌浆材料的性能，研究结果表明：丙烯酸盐与水泥浆混合后能够在瞬间产生凝 胶，产生的凝胶体具有很强的粘结强度和抗压强度，这也就是以聚合物无机胶 凝物质为基础的堵漏材料。 在油井钻探过程中经常会发生恶性漏失，由于传统的堵漏材料堵漏强度低、 在裂缝中的流动阻力小、易被流体冲走，不能很好的及时封堵，其堵漏效果差， 而且耗费大量的堵漏材料，将交联聚合物堵漏剂注入到漏失层以后，该交联聚合 物发生效应，能够有效解决恶性漏失。这种类型堵漏剂的重点是对纤维材料表面 进行化学改性以及开发各种高分子聚合物、胶乳、水溶性树脂等固化后具有粘弹 性的基础物质，并且使这几类物质彼此间的配合使用。单纯的聚合物凝胶力学强 度相对而言是比较低的，然而新型复合多功能凝胶的力学强度则是相对较高的， 其能够有效解决井下地层漏失。在制备聚合物凝胶堵漏材料的过程中经常选用交 联剂( 三价铬、酚醛) 瞄3 1 、成胶剂( 聚丙烯酰胺) ，通过改变成胶剂的掺量、分子量 和交联剂的类型来研究聚合物凝胶堵漏材料的性能；聚丙烯酰胺也可以用来作为 无固相冲洗液，其与岩粉加入到泥浆池中搅拌均匀后注入，一段时间后钻井液返 水量逐渐增大至基本不漏失；聚丙烯酰胺与锯末、水搅拌成糊状后注入，操作简 便，且堵漏效果良好。根据不同的堵漏程度，可以在不同的漏失深度选择不同性 能的堵漏剂【2 4 】。超强吸水树脂是应用最多的聚合物堵漏材料，当超强吸水树脂输 送到漏失层后，超强吸水树脂通过吸水膨胀并且在内部压差作用下进入漏失孔 2 济雨大学硕i j 学位论文 道，堵塞漏失层，从而阻止钻井液漏入钻井裂缝中【2 5 1 。吸水树脂进入到漏失孔道 后，通过架桥、不断被压实、继续吸水膨胀、压差下填塞，从而达到最终堵漏的 目的【2 6 】；利用聚合物的膨胀这一机理来封堵漏失层的堵漏材料还有聚氨酯类 2 7 - 3 0 ，这类堵漏剂的工作原理是：通过自身的化学反应使浆液发泡而膨胀使固体 体积增加，从而产生较大的膨胀应力，使浆液能够四处扩散，而剩余的异氰酸基 和胺反应形成脲键，互相交叉连接，形成网络状结构的大分子凝胶体，能够堵塞 在各种细小的孑l 道内部，达到堵漏效果；新型多功能凝胶复合堵漏材料【3 1 。3 3 】能够 有效地应对失返、大漏失量、溶洞性地层漏失、返出量太小的裂缝性。这种类型 的堵漏材料能够在可控时间内在漏失层形成切力、弹性、粘度和静结构足够大的 凝胶段塞，由于形成的凝胶段塞具有很强的粘附能力和长度，最终能够形成足以 抵抗外来力破坏的极高流动阻力，从而成功堵住漏层。 除此之外，还有些学者研究了一些其它的堵漏材料，滕子军等人【3 4 。3 5 1 通过引 进国外的高膨胀液体材料，结合自己特殊的工艺处理，对钻孔周围一定范围内的 裂缝、破碎带、溶洞进行一系列安全快速的充填、封堵、加固，成功解决了井漏 事故；孙剑等人【3 6 】利用沥青和石英砂，经过特定的制备工艺，研制出了一种兼具 刚性和变形性、化学惰性的颗粒状复合堵漏材料材料x f d 1 。随着环境温度的升 高，该堵漏材料发生弹性变形，使漏层的渗透性进一步降低，直至把漏失层成功 堵住；赵仁明等人【3 7 】以表面活性剂、膨润土和沥青为原料，采用适当的试验工艺 与技术研制而成a b d 1 复合型堵漏材料，该复合型堵漏材料能够随着渗流扩散 到各个渗流通道，而膏状体可在渗流通道的表面得以凝聚黏附，从而阻止了水流 的通过；王绪友等人【3 8 】将水与特定的固体粉料按一定的比例混合均匀，发泡成为 发泡充填材料，混合液能够按照配比时间凝固( 此凝固时间可以根据配比调节) ， 起到充填或者是密闭堵漏的目的。孟园园【3 9 1 首次提出了水泥基智能堵漏材料的模 型，并且在硕士毕业论文中做了大量的基础研究，主要包括：形状记忆合金的选 择和大粒径智能堵漏材料的制备工艺。目前，这方面的研究只限于填充物是膨润 土的情况，还没有制备出不同粒径的堵漏材料，在测试方面只做了室内堵漏模拟 和响应速度的测试，并没有对其他的性能做进一步的研究。 3 1 1 2 国外堵漏材料研究现状 国外对钻井过程中遇到的井漏和堵漏材料的作用机理研究比较早，其中美国 是最早使用堵漏材料解决钻井过程中井漏问题的国家。从四十年代开始，美国就 利用植物的茎、果实、工业废弃料和天然矿物作为解决钻井漏失的堵漏材料。从 六十年代就开始研究化学堵漏材料，并将其应用于实际的油井堵漏中。苏联起步 比较晚，但是现在也已大量应用堵漏材料来解决钻井中遇到的漏失问题。国外在 解决钻井漏失问题时采用的堵漏材料主要是使用粘土、水泥和普通堵漏混合物， 如云母、锯木、核桃壳等。国外经过几十年的科学研究和技术改进，已经开发应 用了多种常规的堵漏材料和新型堵漏材料。先后应用天然植物、天然矿物、化学 堵漏剂对不同的漏失层堵漏。特别是前苏联开发了丙烯类聚合物堵漏剂系列，以 酚醛树脂、脲醛树脂等为基础的堵漏剂系列，低聚有机硅氧烷，聚乙烯醇水溶液 等与纤维填料组成的各具特殊性能的堵漏剂【加】。近几年来国外又开发了封包烯烃 堵漏剂、封包石灰堵漏剂、热溶橡胶堵漏剂、膨胀团粒堵漏剂、吸水聚合物堵漏 剂等堵漏材料。美国钻井液实验室对现有常规堵漏剂进行大量关于合理应用的研 究，提出了一些具有参考价值的结论【4 】：钻井液能够产生独特的流变性和提高微 泡的韧性是由于聚合物的作用，而粘土和聚合物能使新型微泡钻井液体系达到理 想的流变性和稳定微泡。 1 1 3 堵漏材料的发展趋势 我国从6 0 年代开始就对堵漏材料进行了一些基础性的探索研究，这一阶段 是见漏就堵时期。这时期由于对漏失层的性质认识不足和堵漏材料种类的局限 性，主要采用的是桥接堵漏材料和软硬塞堵漏材料。根据不同的漏失层孔径和位 置及其漏失层的地质条件，通过调节堵漏材料的复配比，并添加适当的惰性材料， 来增强堵漏效果，这类堵漏材料有核桃壳、硅藻土、锯末、亚麻纤维、云母片等。 而在钻井过程中由于钻井速度过快或下钻速度过快等原因能够引起大量的人为 裂缝，此类裂缝可以利用软硬塞堵漏材料形成不易流动的粘稠物质进行封堵，这 类材料有柴油膨润土浆、剪切稠化液等。在不同的堵漏方法下，以上几类堵漏材 料可以解决由孔隙和裂缝造成的部分漏失和失返漏失，但是一些复杂的漏失不能 很好的解决。因此，高失水堵剂、各种化学堵剂等新型堵漏材料便应运而生，处 4 济南大学硕i j 学佗论文 理井漏的成功率得到了很大的提高。这即是堵漏材料发展的第二阶段一开发研 究堵漏材料阶段。高失水堵漏材料浆液在钻井液底层压力和液柱压力所产生的强 大压差作用下，迅速失去水分并形成滤饼，堵塞漏失通道，这类材料包括渗滤性 材料、纤维状材料等；化学堵漏材料是利用高聚物在界面上的作用力，使化合物 在界面处形成粘结而产生堵漏作用，这类材料包括凝胶堵漏剂、树脂堵漏剂，这 几类堵漏材料应用到裂缝性漏失和渗透性漏失中能够起到很好的封堵作用。但 是，这些对于溶洞性等恶性漏失而言，常规的堵漏材料不能起到很好的封堵作用。 所以，9 0 年代以后人们更加注重的是堵漏材料产品的系列化，由单一的堵漏材 料研制复合型堵漏材料，提高了堵漏成功效率。这一阶段研制的复合型堵漏材料 有酸溶性高失水暂堵剂、单向压力封闭剂等。现阶段虽有大量以上类型的常规堵 剂和新型堵剂，并且在一定程度上取得了很好的应用效果，但适用于处理严重性 井漏的堵漏材料并不是很多，而且仅限于以各种水泥及少部分化学剂和混合物堵 剂为最常用【4 2 】。以桥堵材料为主的其余大多数堵漏材料，一般只能够适合作为水 泥浆体系的堵漏添加材料用，而且存在旌工复杂、封堵强度低、成本较高等问题。 有研究者推测，不管未来有多少新型的堵漏材料，以水泥为基础的胶凝堵漏材料， 仍可能是将来相当长的一段时期内用于处理严重井漏的重要手段。随着新型功能 材料和智能材料的发展，在各领域中智能材料的应用已逐步普及。本课题在广泛 查阅国内外相关资料的基础上，以智能材料一形状记忆合金的具体应用为背景， 对形状记忆合金的工作机理、设计原理、变形规律、驱动特性、组合方式、控制 方法等进行了深入细致的研究，认为利用形状记忆合金制备温控型智能堵漏材 料，制定堵漏方案，将对钻井防漏堵漏技术的发展有着重大的理论指导意义。 1 2 智能材料的发展及其种类 2 0 世纪8 0 年代中期，人们提出了智能材料和灵巧材料的概念。智能材料能 够通过自身感知外界环境的变化，从而获取外界信息，做出相应的判断和处理， 继而发出指令，从而调整自身的状态并且适应外界环境的变化，进而实现材料自 身的自检测、自诊断、自调节、自适应、自修复等类似于生物系统的功能。但是 现在的材料功能比较单一，不能满足智能材料功能的要求，所以智能材料系统通 常是由两种或两种以上材料复合构成的。 5 高效承f e 智能堵漏复合材料的制备j j 件能研究 1 2 1 智能材料的发展和种类 随着现代计算机技术、微电子技术和材料学的迅速发展，智能材料被广泛应 用于很多领域并且具有广阔的发展前景。智能材料是由基体材料、敏感材料、驱 动材料、信息处理器四部分组成的，其中基体材料起着承载的作用，敏感材料主 要感知外界环境的变化，驱动材料主要起着响应、控制、执行的作用。 从1 9 8 5 年开始，美国政府提出了研究智能材料的计划，将其应用于航天飞 行器，以减轻航天器的重量和降低发射成本。其后许多发达国家也加入到智能材 料研究行列。进入到9 0 年代，各国进行智能材料的研究和学术交流活动日益活 跃，我国也逐渐加入到这一行业中。自1 9 9 3 年起，我国自然科学基金、航空基 金等每年都将智能材料的研究列为研究计划项目。1 9 9 4 年英国在s t r a t h e l y d e 大 学成立了欧洲的第一个智能材料结构研究所，该研究所的研究规划包括土木工程 结构的安全监测、复合材料固化监测、微小颗粒水平的智能材料等。随后德国宇 航研究院也制定了相应的研究计划，主要是对形状记忆合金的物理性能及应用、 自适应结构控制技术、提高建筑结构的抗震性能等进行研究【4 3 】。目前为止，国际 上对智能材料的研究主要集中在关键工程结构构件材料的智能化和仿生材料智 能化两方面。智能材料受到越来越多研究者的积极关注，逐步丰富智能材料的研 究内容。智能化是人类社会文明发展的一种趋势，其中智能材料在这个过程中起 着不可或缺的作用。 目前，根据不同的功能可以将智能材料划分为两大类：一类是能够感知外界 环境或内部的刺激强度(